JPH08234142A

JPH08234142A - 光アイソレータおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH08234142A
Application number: JP6675395A
Authority: JP
Inventors: Manabu Hashima; 学橋間
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1996-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】光学チップごとの従来の処理方法から、一括
処理を可能とし、また、半田付け固定時の光路への半田
流出を抑制した構造とし、併せて製作工程の単純化を実
現することを通じて、高特性、かつ品質の揃った安価な
メタル接合光アイソレータと、その製造方法を提供す
る。【構成】接合する偏光子１、ファラデー回転子２、お
よび検光子３の光学素子間に生ずる応力歪を緩和する手
段として、応力緩衝板９，１０を光学素子用素材相互間
に介在させて接合する構造を用い、また、応力緩衝板９
のアパーチャの周囲に半田流れ防止部を形成し、複数個
がとれる大きさの各光学素子用素材の接合面にパターン
化した金属薄膜層を形成して半田接合し、切断すること
により、量産性のよい光アイソレータを供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファラデー効果を利用
した光アイソレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザを光通信等の光伝送系の光
源として用いる場合、半導体レーザからの出射光の一部
が、伝送路や伝送用光学部品で反射して半導体レーザに
帰還した場合、半導体レーザの発振特性の不安定化や雑
音の増加を引き起こす原因となる。この戻り光を阻止す
るために、光アイソレータが使用される。

【０００３】図５は、光アイソレータの基本構成を示
す。図５において、入射光が偏光子１を透過した後、フ
ァラデー回転子２によって、その偏光面が４５度回転
し、さらに、前記偏光子１の偏光面に対して、４５度傾
いた偏光面を有する検光子３を透過する。一方、前記入
射光とは逆方向の反射戻り光は、検光子３に対して偏光
面が一致した成分のみが検光子３を透過し、この後、フ
ァラデー回転子２によって、その偏光面が回転される。
従って、ファラデー回転子２を透過した反射戻り光は、
偏光子１に対して、その偏光面が９０度回転しているこ
ととなり、ここで、反射戻り光は透過を阻止される。こ
のように、光アイソレータ反射戻り光は遮断され、光ア
イソレータの機能が発揮される。図５に示した基本構成
の光アイソレータを複数段で構成すれば、さらに大きな
アイソレーション効果を得ることができる。

【０００４】光アイソレータの組立を行う場合、各構成
部品の固定方法には、有機接着法とメタル接合法があ
る。有機接着法は、各構成部品を有機接着剤により接着
固定する方法である。また、有機接着法は、接着剤硬化
時において、多くの場合、接着層の収縮が発生する。こ
の接着層の収縮は、光アイソレータの光学特性に悪い影
響を及ぼし、問題となる。特に、構成部品の中で、光学
素子の接着は、光透過面側を有機接着剤で接着するた
め、温度や湿度の厳しい使用環境においては、耐久性が
著しく劣る。

【０００５】こうした理由から、有機接着法による光ア
イソレータに代わって、最近は、高信頼性を有するメタ
ル接合法が主流となっている。メタル接合法は、各構成
部品を半田を用いて接合する方法である。半田には、主
にＡｕＳｎ合金等が用いられる。ホルダの表面には、半
田が付き易い状態にするため、予めＮｉ，Ａｕ等でめっ
き処理を施す。また、非金属材料からなる磁気光学素子
や、偏光ガラス等からなる偏光子、検光子等の光学素子
の接合面には、めっき処理が困難なため、スパッタリン
グ法等、物理的成膜法により金属薄膜を成膜する。前記
の各光学素子は、この金属膜を介してホルダに半田付け
される。一般に、半田付けは、電気炉を用い、不活性気
体雰囲気中で半田が溶融する温度まで加熱して行われ
る。さらに、半田付けされた光学素子の光学軸調整を行
った後、ホルダ同士をレーザ溶接して、光アイソレータ
を作製する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】メタル接合型の光アイ
ソレータは、図６に示すように、通常、２つの部分から
構成されている。一方は、偏光子１とファラデー回転子
２とマグネット８がホルダに収容された偏光子側部分２
７［図６（ａ）の左部分］であり、他方は、検光子３が
ホルダに収容された検光子側部分２８［図６（ａ）の右
部分］である。これら偏光子側部分２７、検光子側部分
２８は、各々組立て、半田付け工程を経て各々のホルダ
に固定される。さらに、各ホルダに固定した状態で偏光
子１と検光子３の光学軸を調整し、所定の角度でホルダ
同士のＹＡＧレーザ溶接を行って、図６（ｂ）に示すメ
タル接合型の光アイソレータの組立てが完了する。

【０００７】しかし、上に記した従来のメタル接合法で
は、複数個の光学素子が取得可能な広い面積の光学素子
用素材同士を、ホルダ等の支持材を用いずに直接半田付
けによって固定することは、相互の熱膨張係数の差のた
め、困難である。従来は、そのため、光アイソレータ１
個分の狭い面積の光学素子片に加工した後、この光学素
子片を光学素子支持材であるホルダと半田付けによっ
て、固定することを余儀なくされ、製作コストが高くな
るという問題があった。また、従来の金属薄膜のみを介
して半田接合する光アイソレータでは、十分に接合時の
応力歪を除去できず、アイソレータ完成後、特性が変化
してしまうという問題があった。

【０００８】さらに、前記光学素子片を、めっき処理さ
れたホルダに半田付けによって固定する際、溶融した半
田が、接合部（金属薄膜部）以外の、特に、光路に流出
する問題があった。光路に流出した半田は、光アイソレ
ータを透過する光に対して散乱の原因となる。このた
め、半田溶融時における半田ぬれ性を制御する必要ある
が、従来の方法では、制御が困難であった。

【０００９】従って、本発明の課題は、上述の問題が解
消された、量産性があり、光学特性の安定した安価な光
アイソレータと、その製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決できる、光学素子を半田付けによって接合固定す
るメタル接合型の光アイソレータにおいて、光学素子間
の接合部が両光学素子の表面に加工された金属薄膜層
と、この金属薄膜層に接する半田層と、前記半田層に接
する応力歪緩衝板から構成されていることを特徴とする
光アイソレータであり、上記の光アイソレータにおい
て、前記応力歪緩衝板が、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｌ₂Ｏ₃
の少なくとも１種類以上からなることを特徴とする光ア
イソレータであり、上記の光アイソレータにおいて、
前記応力歪緩衝板表面のアパーチャ付近の半田ぬれ性を
低下せしめた半田流れ防止部を設けたことを特徴とする
光アイソレータであり、光学素子を半田付けによって
固定するメタル接合型の光アイソレータの製造方法で、
前記光学素子を複数個取得し得る面積の光学素子用素材
の少なくとも一方の面に、金属薄膜を形成し、該光学素
子用素材の少なくとも一方の面に、半田シート、応力緩
衝板、半田シート、および前記光学用素材と同様に、一
方の面に金属薄膜を形成した他の光学素子用素材を順次
重ね合わせ、半田により接合し、この接合した接合体
を、所定の大きさになるように厚さ方向に切断し、アイ
ソレータチップを作製し、このアイソレータチップを用
いて光アイソレータを構築することを特徴とする光アイ
ソレータの製造方法である。

【００１１】

【作用】メタル接合型光アイソレータの作製において、
光学素子の固定は、個別の被接合材との間に半田を溶融
することにより行われる。光学素子を半田付けにより接
合する時に発生する接合部の応力歪が問題となる。これ
ら応力歪の主な要因は、接合材相互の熱膨張係数差であ
る。本発明によれば、半田接合層を光学素子−金属薄膜
−半田−応力歪緩衝材−半田−金属薄膜−光学素子とな
る構造とすることにより、光学素子の接合歪（応力歪）
を低減させることができる。これによって、接合歪を原
因とする特性劣化を防止することができる。さらに、光
学素子用素材上に、図２に示すような金属薄膜２２をパ
ターン形成し、接合層を前記構造とすることにより、ホ
ルダを用いることなく、各光学素子に対応した光学素子
用素材１５の間の半田接合が可能となり、所定の切りし
ろ２４の部分で切断することにより、大量の光アイソレ
ータ素子（光アイソレータチップ）を一括生産すること
が可能となる。

【００１２】応力歪緩衝板９，１０（図１、図３参照）
は、ヤング率が大きい軟質薄板からできており、例え
ば、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｌ₂Ｏ₃の少なくとも１種類以
上の材質で構成され、光学素子用素材の半田接合時に生
じる応力歪、さらに、外気温度変化で生じる接合層収縮
による影響等も吸収、緩和することができる。

【００１３】また、溶融半田は、一般に、金属めっき表
面に対して、ぬれ性を示すが、めっき処理を施さない表
面では、ぬれ性が低下するものがある。図３に示すよう
に、本発明の応力歪緩衝板９は、アパーチャ１８（光透
過用穴）付近の金属めっき層を除去したり、逆に、ぬれ
性の悪い層を加工して、半田流れ防止部２０を形成する
ことにより、アパーチャへの半田流出を防止できる。即
ち、図３（ｂ）に示すように、半田流れ防止部２０をア
パーチャ１８の径（Ｌ1）より大きく、つまり、溶融半
田がアパーチャに流れ込まない構造としている。逆に、
例えば、Ｃｕのように、半田ぬれ性の良い金属薄板の応
力歪緩衝板を使用する場合は、半田ぬれ防止部２０に酸
化皮膜や有機樹脂膜を形成することによる同様の効果が
得られる。従って、半田ぬれ性を制御することによっ
て、流出した半田による入射光散乱等を防止し、安定し
た特性の光アイソレータを作製することができる。

【００１４】本発明による光アイソレータの製造は、複
数のアイソレータチップがとれる大きな光学素子用素材
を用いて、一度に複数のアイソレータチップを作製でき
るので、個々のアイソレータチップに対して、光学軸調
整を行う必要が無く、洗浄工程等も削減できる。従っ
て、製造コストを低減することができ、しかも、安定し
た特性を有する光アイソレータを、大量、安価に提供す
ることができる。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例及び比較例を説明す
る。

【００１６】本発明による光アイソレータに用いられる
アイソレータチップは、図１に示すように、偏光子１、
応力歪緩衝板９、ファラデー回転子２、応力歪緩衝板１
０、検光子３を構成する各光学素子用素材と応力歪緩衝
板用素材から構成される。ファラデー回転子２、偏光子
１、検光子３、及び２枚の応力歪緩衝板９，１０の寸法
形状は、それぞれ１０ｍｍ角とした。偏光子及び検光子
の偏光軸１３は、図１（ａ）に示すように、予め偏光子
１の偏光軸１３（偏光方向）に対して、検光子３の偏光
軸１３が４５度傾いているように、切断された光学素子
用素材を使用した。

【００１７】図２に示すように、ファラデー回転子を形
成する光学素子用素材１５、及び偏光子１、検光子３を
形成する偏光ガラス等を用いる光学素子用素材１５に
は、図２（ａ）のように、パターン化しためっき処理を
施すことが困難である。そのため、図２（ｂ）に示すよ
うな複数層の金属薄膜２２を成膜した。これら金属薄膜
２２は、各光学素子の固定部分にマスキング法とスパッ
タリング法を組み合わせてパターンニングした。パター
ンニングした金属薄膜２２は、３層から成り、図２
（ｂ）に示すように積層し、それぞれの膜厚を、Ｃｒは
０.１０μｍ、Ｎｉは０.３０μｍ、Ａｕは０.１５μｍ
とした。金属薄膜２２は、単一の金属層でもよいが、接
合力と半田性の双方を十分得るには、組み合わせた複数
層の金属薄膜層がよい。

【００１８】応力歪緩衝板９は、材料として、０.１ｍ
ｍ厚Ｃｕプレートを用い、図３に示すような形状で、寸
法は光学素子用素材と同様に、１０ｍｍ角とした。光透
過部分（アパーチャ１８）には、穴加工を施し、半田接
合可能にするため、表面にＮｉＡｕめっきを施した。さ
らに、半田接合時、アパーチャ１８近傍への半田流入を
防止するための、めっきを除去した半田流れ防止部２０
を設けた。この半田流れ防止部２０は、アパーチャ付近
にフォトレジストを塗布し、その後、めっき処理、めっ
き終了後、処理溶剤にてレジスト部分を除去することに
より、アパーチャ付近にめっきされないようにした。図
４（ｂ）に示すように、前記光学素子用素材１５及び応
力歪緩衝板９の接合には、図４（ａ）に示すような外形
寸法が１０ｍｍ角の半田シート１７を用いた。ＰｂＳｎ
共晶半田（成分比は重量比で、３８／６２％，融点１８
３℃）を使用し、半田シート１７の厚さは、必要な半田
の体積を考慮し、５０μｍとした。

【００１９】図１（ａ）、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に
示すように、これらの構成部品をカーボン製治具（図示
せず）を用いて、それぞれ金属薄膜の加工された偏光子
のための光学素子用素材１５、半田シート１７、応力緩
衝板９、半田シート１７、ファラデー回転子のための光
学素子用素材１５、半田シート１７、応力歪緩衝板９、
半田シート、検光子のための光学素子用素材１５の順に
重ね合わせ、かつ、各構成部品の側面を揃え、２０ｇの
荷重をのせた。前記カーボン製治具ごと電気炉内で２０
０℃まで加熱した。電気炉内雰囲気は、半田がぬれ易い
ように還元雰囲気下（窒素９５％，水素５％）にて、半
田付けによる接合をし、図１（ｂ）に示すようなアイソ
レータウェハー１１を作製した。

【００２０】アイソレータウェハーは、切断機により、
前記図２（ａ）に示した金属薄膜間の切りしろ２４に沿
って所定の形状に切断され、図１（ｃ）に示すようなア
イソレータチップ１２を得た。アイソレータチップ１２
は、図１（ｄ）に示すように、プラスチック製のマグネ
ット８に挿入し、アイソレータチップ１２の光学面以外
の側面を有機接着剤により、マグネット８の内面に固定
し、光透過面に有機接着剤がない光アイソレータを得
た。

【００２１】

【比較例】上記実施例の効果を比較、確認するために、
以下に二つの比較例を示す。

【００２２】（比較例１）図７に示すように、両面に金
属薄膜のパターンを形成したファラデー回転子用素材２
の両面に、それぞれ片面に金属薄膜のパターンを形成し
た偏光子用素材１、および検光子用素材３を重ね合わ
せ、かつ、それぞれの間に半田シート（図示せず）を挿
入し、応力歪緩衝板を用いずに、前記実施例と同様な方
法によって、比較例１の光アイソレータを作製した。

【００２３】（比較例２）図６に示すとおり、前述の従
来技術による偏光子側部分２７と検光子側部分２８から
構成される構造の光アイソレータを作製した。偏光子側
部分２７は、第１端部ホルダ４と外部ホルダ６を予めＹ
ＡＧレーザ溶接し、その内部に接合した偏光子１、内部
リング７、ファラデー回転子２、マグネット８から構成
される。一方、検光子側部分２８は、第２端部ホルダ５
と検光子３（第２偏光子）から構成される。これら金属
製ホルダ内部には、半田接合を可能にするため、ＮｉＡ
ｕめっき処理が施されている。また、ファラデー回転
子、偏光子、検光子の表面には、実施例同様、半田接合
を可能にするため、金属薄膜が成膜されている。これら
構成部品を、偏光子側部分、検光子側部分毎に個別に積
層し、積層した状態にて、前記実施例と同様に、電気炉
内で半田付け接合を行った。半田付け接合完了後、偏光
子側部分と検光子側部分を組み合わせ、２つの部分の偏
光軸（偏光方向）を所定の角度に合わせ、外部ホルダと
第２端部ホルダをＹＡＧレーザ溶接をして、比較例２の
光アイソレータを得た。

【００２４】実施例、比較例１及び比較例２にて、各５
０個作製した光アイソレータの順方向挿入損失及び逆方
向挿入損失評価を行った。以下に評価結果を表１に示
す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１に明かなように、比較例１は、順方向
挿入損失、逆方向挿入損失ともに著しく劣っている。半
田接合による素材間の熱応力歪が緩和、吸収されること
なく、光学特性を低下させているものと考えられる。

【００２７】実施例と比較例２について、順方向挿入損
失および逆方向挿入損失は、ほぼ同水準である。これ
は、比較例２では光アイソレータ全数について、個別に
光学軸の調整を行うため、厳密な光学軸の調整が可能で
あることによると考えられる。本実施例の光アイソレー
タでは、１回の光学軸調整で同等の製品が複数得られて
いる。また、光学素子間の接合歪は、応力歪緩衝板によ
って緩和され、光アイソレータとして十分な特性を有す
ることが判った。さらに、光路への半田の流出がないこ
とが、外観検査の結果、判明した。これは、応力歪緩衝
板９，１０のアパーチャ付近のめっき層を除去した効果
である。

【００２８】実施例及び比較例２にて作製した光アイソ
レータを、各々１０個採取し、ヒートサイクル試験を行
った。条件は、温度−２０〜＋７０度、４.５時間／サ
イクル、サイクル数１００サイクルとした。実施例、比
較例２における光アイソレータの試験前、試験終了後の
順方向挿入損失、逆方向挿入損失の変動量（１０個の最
大値）を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２から、実施例、比較例２共に、大幅な
特性劣化は認めらない。また、外観検査においても、光
学面のクラック等は認められなかった。実施例及び比較
例２にて作製した光アイソレータは、十分な信頼性を有
することが判った。

【００３１】本実施例では、応力緩衝板としてＣｕ板を
用いたが、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｌ₂Ｏ₃の板でも、また、これ
らを組み合わせた応力緩衝板でも、Ｃｕ板と同様の効果
が得られた。

【００３２】また、本実施例では、アイソレータチップ
のホルダへの接合固定は、有機接着剤を用いて接着固定
したが、半田層を介してホルダにアイソレータチップを
接合固定することにより、より耐候性の良い光アイソレ
ータが得られた。この場合、半田はアイソレータチップ
の接合に用いた半田より低い融点の半田を用いた。ま
た、ホルダが非金属材料を使用した例においては、ホル
ダの接合面に金属薄膜を加工したものを用いた。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によって
接合する光学素子間に生じる応力歪を緩和する手段をと
ることにより、光学素子部材相互の接合と、これから一
括して大量の光学素子を得ることが可能となった。この
ため、従来、作製する光アイソレータの全数について要
していた光学軸の調整の工程を省略することが可能とな
った。さらに、半田付け接合において課題であった半田
流出を解決し、透過光散乱の問題を解消した。その結
果、本発明は、一様な特性の光アイソレータを一括大量
に生産でき、かつ製造工程を大幅に短縮して低コストを
実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に示す光アイソレータの構造及
び製造手順を示す説明図。図１（ａ）は構成素材を示す
図。図１（ｂ）はアイソレータウェハーの組立上がりを
示す図。図１（ｃ）はアイソレータチップの切り出しを
示す図。図１（ｄ）は組み立て上がった光アイソレータ
の断面図。

【図２】光学素子用素材の表面に成膜した金属薄膜を示
す斜視図。図２（ａ）は光学素子用素材全体を示す図。
図２（ｂ）は金属薄膜部の断面図。

【図３】本発明によって使用した応力緩衝板と、これを
組み付けた状態を示す図。図３（ａ）は応力歪緩衝板の
外観斜視図。図３（ｂ）は光透過部の周辺の接合構造を
示す断面図。

【図４】本発明によって使用した半田シートと、これを
組み付けた状態を示す図。図４（ａ）は半田シートの外
観図。図４（ｂ）は接合構造を示す断面図。

【図５】光アイソレータの基本構成を示す説明図。

【図６】従来のメタル接着型光アイソレータの構成を説
明する分解断面図。図６（ａ）は偏光子側部分と検光子
側部分の組立前を示す図。図６（ｂ）は組立上がりを示
す図。

【図７】比較例２において作製した光アイソレータの構
造および製造手順を示す説明図。図７（ａ）は構成素材
を示す図。図７（ｂ）はアイソレータウェハーの組み立
て上がりを示す図。図７（ｃ）はアイソレータチップの
切り出しを示す図。図７（ｄ）は組み立て上がった光ア
イソレータの断面図。

【符号の説明】

１偏光子（用素材）２ファラデー回転子（用素材）３検光子（用素材）４第１部端部ホルダ５第２部端部ホルダ６外部ホルダ７内部ホルダ８マグネット９，１０応力緩衝板（用素材）１１，３１アイソレータウェハー１２，３２アイソレータチップ１３偏光軸１４光学素子１５光学素子用素材１６半田１７半田シート１８アパーチャ１９Ｎｉ，Ａｕめっき部２０半田流れ防止部２１めっき層２２金属薄膜２３接着層２４切りしろ２５光透過面２６接合層２７偏光子側部分２８検光子側部分２９ＹＡＧレーザ溶接部３０半田固定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学素子を半田付けによって接合固定す
るメタル接合型の光アイソレータにおいて、光学素子間
の接合部が両光学素子の表面に加工された金属薄膜層
と、この金属薄膜層に接する半田層と、前記半田層に接
する応力歪緩衝板から構成されていることを特徴とする
光アイソレータ。
【請求項２】請求項１記載の光アイソレータにおい
て、前記応力歪緩衝板が、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｌ₂Ｏ₃
の少なくとも１種類以上からなることを特徴とする光ア
イソレータ。
【請求項３】請求項１記載の光アイソレータにおい
て、前記応力歪緩衝板表面のアパーチャ付近の半田ぬれ
性を低下せしめた半田流れ防止部を設けたことを特徴と
する光アイソレータ。
【請求項４】光学素子を半田付けによって固定するメ
タル接合型の光アイソレータの製造方法において、前記
光学素子を複数個取得し得る面積の光学素子用素材の少
なくとも一方の面に、金属薄膜を形成し、該光学素子用
素材の少なくとも一方の面に、半田シート、応力緩衝
板、半田シート、および前記光学用素材と同様に、一方
の面に金属薄膜を形成した他の光学素子用素材を順次重
ね合わせ、半田により接合し、この接合した接合体を、
所定の大きさになるように厚さ方向に切断し、アイソレ
ータチップを作製し、このアイソレータチップを用いて
光アイソレータを構築することを特徴とする光アイソレ
ータの製造方法。